У статті розглянуті конструкція і застосування натрієвих ламп високого тиску.
Важко сьогодні живеться астрономам. На якій би ділянку неба не орієнтували вони телескопи, на фотографіях спектрів зірок завжди будуть присутні лінії натрію і ртуті. Подібні спектри зовсім не доводять, що зірки багаті на ці хімічні елементи. Причина суто земне: зовнішнє освітлення міст і автострад за допомогою газорозрядних ламп високої інтенсивності створює настільки сильну підсвічування атмосфери, що чутливі астрономічні прилади фіксують світло рукотворних "зірок".
Найбільший внесок в вуличне освітлення, і головною перешкодою для астрономічних спостережень, є сьогодні лампи натрієві розрядні високого тиску. Про них і піде мова в даному матеріалі.
Перш за все, чому саме високого тиску? Справа в тому, що розрядні трубчасті лампи з низьким тиском ртуті з'явилися ще в передвоєнний період. Люмінесцентні лампи швидко набули широкого поширення. Але розряд в парах натрію довгий час не вдавалося отримати через низький парціального тиску натрію при невеликих температурах.
Після ряду технологічних хитрувань удалость створити натрієві лампи, що працюють при низькому тиску. Але широкого поширення вони не отримали з-за складної конструкції. Вдаліше склалася доля у натрієвих ламп, що працюють при високому тиску (НЛВД). Початкові спроби створити лампи в оболонці з кварцового скла закінчилася невдачею. При високих температурах зростає хімічна активність натрію. Рухливість його атомів (дифузія) так само зростає. Тому в кварцових пальниках натрій швидко проникав через кварц, руйнуючи оболонку пальника.
Ситуація измель, коли на початку 60-х років фірма "General Electric" запатентувала новий керамічний матеріал, здатний працювати в парах натрію при високих температурах. Він отримав фірмове найменування "лукалос". У нас ця кераміка відома як "поликор". Кераміка виготовляється шляхом високотемпературного спікання порошку окису алюмінію.
Оксид алюмінію має більше 10 модифікацій кристалічної решітки, в залежності від умов реакції окислення. Для світлотехнічних цілей придатна тільки одна модифікація - альфа-форма окису, що має найбільш щільну упаковку атомів в кристалі. Процес спікання, а точніше "вирощування" кераміки дуже примхливий. Адже крім хімічної стійкості до парам натрію, кераміка повинна мати високу прозорість. Який сенс робити лампу, якщо в стінках розрядної трубки (пальники) буде губитися більша частина світу?
Керамічна пальник натрієвих ламп і є головною відмінною рисою від інших газорозрядних джерел світла. Кераміка, що працює при температурах понад 1000 градусів, здатна утримувати натрій протягом десятків тисяч годин. Але це не означає, що натрію зовсім не вдається проникати назовні, в обсяг зовнішньої колби.
Щільна кристалічна решітка дійсно ускладнює дифузію атомів через кераміку. Але кристалічні блоки оксиду алюмінію "скріплені" між собою аморфної, схожою на скло, межфазной керамікою. Вона складається з добавок, які обмежують зростання кристалів поликор і домішок, неминучих в будь-якому матеріале.Проніцаемость по межах кристалів набагато вище, ніж через кристалічну решітку. Тому термін служби натрієвих ламп визначається саме втратами натрію через межкристаллической матеріал.
Для натрієвих ламп застосовуються і монокристали окису алюмінію - "монокор", більше відомий, як сапфір. Розрядні трубки з такого матеріалу мають дуже високий коефіцієнт пропускання, високу стійкість проти дифузії натрію, але анізотропні (різні за напрямками) механічні властивості ускладнює герметизацію пальників високотемпературними цементамі. Крім цього, вони помітно дорожче полікристалічних пальників.
Пальник натрієвих ламп має тільки два електроди, на які нанесено емісійне покриття для полегшення початкового запалювання лампи. У пальник дозується інертний газ (зазвичай ксенон при тиску близько 20 мм. Ртутного стовпа), і амальгама (сплав) ртуті з натрієм, у вигляді кульки строго фіксованого складу і розміру.
Термін служби лампи безпосередньо пов'язаний з терміном служби пальника. А той, у свою чергу, визначається запасом натрію і емісійного складу на електродах. Згодом відбувається витік натрію через кераміку, що призводить до зростання напруги на пальнику, яке викликає потухання лампи відразу після виходу на режим.
Після охолодження лампа знову розгорається, щоб знову погаснути. Частий режим роботи (короткі цикли включення-виключення) призводить до прискореного витраті емітера - емісійного складу на електродах і лампа виходить з ладу.
Пальник монтується в зовнішній колбі з тугоплавкого скла на траверсах (підтримках). До колбі після відкачування і отпайки, кріпиться цоколь (зазвичай Е27 або Е40). Обсяг зовнішньої колби вакуумируют. Для отримання більш високого вакууму ще в ній додатково розпорошується газопоглощающій склад - геттер.
Вакуумна ізоляція пальників необхідна для захисту тугоплавких металів конструкції пальника (ніобій, молібден) від окислення. Але головним завданням є усунення втрат тепла конвекційним способом. Адже кераміка, що працює при температурах понад 1000 градусів, стає потужним джерелом теплової енергії. При поганій теплоізоляції знижується ефективність лампи, перегріваються колба і цоколь лампи.
Зараз випускається широкий асортимент натрієвих ламп потужністю від 35 до 1000 Вт. За формою зовнішньої колби і особливостям застосування можна виділити три основні групи натрієвих ламп: ДНаТ з трубчастої колбою, ДНаС з еліптичної матованою оболонкою і ДНаЗ з дзеркальним відбиваючим покриттям.
Про застосування натрієвих ламп високого тиску ДНаТ особливо говорити не варто: це вуличне освітлення населених пунктів, жвавих автострад і підсвічування архітектурних ансамблів.
Лампи ДНаС розроблені як заміна дугових ртутних люмінесцентних ламп (ДРЛ). Крім еліптичної форми колби вони мають особливості наповнення пальників: замість чистого ксенону дозується суміш благородних газів (суміші Пеннінга) для полегшення запалювання. Подібні лампи експлуатуються без підпалює пристрою, який виробляє високовольтні імпульси. Решта типів натрієвих ламп в подібному пристрої потребують.
Лампи ДНаЗ знайшли застосування в промислових тепличних господарствах для прискорення фотосинтезу рослин. Частка цих ламп в загальній кількості джерел, що використовують випромінювання натрію, відносно невелика, і їх можна віднести до ламп спеціального призначення.
Володіючи дуже високою ефективністю і хорошою передачею кольору, натрієві лампи малої потужності (35 і 50 Вт) цілком могли б знайти застосування в побуті. Добавки в пальник рідкоземельних металів дозволяють отримати спектр випромінювання, майже не відрізняється від сонячного світла.
Але ахіллесовою п'ятою ламп є не складна схема харчування - сучасна електроніка легко справляється з подібною проблемою. Час розгоряння і виходу на робочий режим - ось перешкода, яке зводить нанівець всі переваги натрієвих ламп в побуті. Малопотужні лампи виходять на режим 4-6 хвилин, а повністю параметри стабілізуються протягом 20-25 хвилин. Змиритися з подібними незручностями в освітленні кімнат рідко хто погодиться.
На сьогоднішній день інших, альтернативних джерел світла для цілей зовнішнього освітлення практично не існує. Натрієві лампи ще довго будуть займати цю нішу, поблажливо дивлячись на спроби сучасних "вискочок" типу світлодіодних світильників потіснити їх.
Перш за все, чому саме високого тиску?Який сенс робити лампу, якщо в стінках розрядної трубки (пальники) буде губитися більша частина світу?
